生化所易文教授課題組在PNAS上在線發(fā)表論文
與正常分化的細(xì)胞相比，胚胎干細(xì)胞有著特征性的代謝方式。胚胎干細(xì)胞會通過增強(qiáng)糖酵解和谷氨酰胺氧化來提供大量的代謝中間產(chǎn)物，促進(jìn)大分子的生物合成來支持干細(xì)胞的自我更新（1, 2）。除了作為生物合成的代謝前體,某些代謝中間產(chǎn)物在維持干細(xì)胞的多能性方面也發(fā)揮著重要的作用（3）。甲硫氨酸代謝循環(huán)是細(xì)胞內(nèi)一碳單位代謝的重要組成部分,其代謝中間產(chǎn)物硫代腺苷甲硫氨酸(SAM)是細(xì)胞內(nèi)的最主要的甲基供體，參與DNA、RNA和蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)甲基反應(yīng)（4）。細(xì)胞內(nèi)甲硫氨酸的代謝水平顯著影響干細(xì)胞的自我更新能力和多能性，然而目前對甲硫氨酸代謝如何受到調(diào)控的分子機(jī)理還尚不清楚。
2020年3月19日，生命科學(xué)學(xué)院生化所易文教授課題組在PNAS（美國科學(xué)院院刊）上在線發(fā)表了題為“O-GlcNAcylation Regulates the Methionine Cycle to Promote Pluripotency of Stem Cells”的研究論文。該研究報(bào)道了O-GlcNAc糖基化修飾通過調(diào)控甲硫氨酸代謝途徑中的關(guān)鍵代謝酶AHCY的活性來維持小鼠胚胎干細(xì)胞自我更新和多能性的分子機(jī)制。
O-GlcNAc糖基化修飾是通過N-乙酰葡糖胺以β-糖苷鍵形式共價(jià)連接到蛋白質(zhì)的絲氨酸或蘇氨酸羥基上的一種翻譯后修飾。近年來的研究表明O-GlcNAc糖基化作為一種可逆的修飾能感受細(xì)胞的代謝狀態(tài)，并能調(diào)控細(xì)胞信號傳導(dǎo)、基因轉(zhuǎn)錄、蛋白翻譯等重要的生物學(xué)過程（5）。最近的研究還顯示O-GlcNAc糖基化能通過修飾干細(xì)胞中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子（Oct4, Sox2, ESRRB等）來調(diào)控干細(xì)胞的多能性（6-8）。但是目前對于O-GlcNAc糖基化如何通過調(diào)控代謝來影響干細(xì)胞的自我更新和多能性還鮮有報(bào)道。
腺苷同型半胱氨酸水解酶（Adenosylhomocysteinase, AHCY）是甲硫氨酸代謝途徑中重要的代謝酶，它催化硫代腺苷同型半胱氨酸（S-adenosylhomocysteine, SAH）水解產(chǎn)生腺苷（adenine）和同型半胱氨酸（homocysteine）。值得注意的是，其產(chǎn)物SAH能通過底物抑制的方式抑制細(xì)胞內(nèi)的甲基轉(zhuǎn)移酶活性，進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)甲基反應(yīng)（9）。該本研究首先比較了小鼠胚胎干細(xì)胞和體外分化細(xì)胞的甲硫氨酸代謝活性，發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞在分化過程中甲硫氨酸的代謝呈顯著下降趨勢。通過檢測其中代謝酶的表達(dá)發(fā)現(xiàn)AHCY在啟動分化的48小時后出現(xiàn)明顯降低。接著研究者在小鼠胚胎干細(xì)胞中敲低AHCY，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的SAM/SAH的比例下降，干細(xì)胞關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄因子OCT4和NANOG基因啟動子上的H3K4me3的水平降低，導(dǎo)致OCT4和NANOG的表達(dá)受到抑制，促進(jìn)干細(xì)胞向三胚層方向分化。研究者通過酶法標(biāo)記技術(shù)發(fā)現(xiàn)AHCY具有O-GlcNAc糖基化修飾。其糖基化修飾程度在干細(xì)胞開始分化的24小時后有明顯降低，伴隨著AHCY酶活性的降低。通過進(jìn)一步的質(zhì)譜分析，結(jié)合點(diǎn)突變的生化實(shí)驗(yàn)鑒定出蘇氨酸136位是AHCY主要的糖基化位點(diǎn)。T136上的糖基化修飾通過促進(jìn)了AHCY四聚體的形成并增強(qiáng)了其與反應(yīng)底物的親和力來上調(diào)酶的催化活性。相反，在干細(xì)胞中阻斷AHCY的O-GlcNAc糖基化修飾會降低SAM/SAH的比例和H3K4me3的水平，促進(jìn)干細(xì)胞進(jìn)入分化狀態(tài)。最后，研究者還發(fā)現(xiàn)AHCY的糖基化在體細(xì)胞進(jìn)行誘導(dǎo)重編程過程中起著重要的作用。
綜上所述，這項(xiàng)工作揭示了甲硫氨酸代謝中的關(guān)鍵酶AHCY及其O-GlcNAc糖基化修飾在調(diào)控小鼠胚胎干細(xì)胞自我更新和多能性中的重要作用，闡明了O-GlcNAc糖基化修飾通過將營養(yǎng)感知與表觀遺傳聯(lián)系起來決定干細(xì)胞命運(yùn)的新機(jī)制。
浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院為論文第一作者單位。易文教授為該論文的通訊作者，浙大轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院的李學(xué)坤教授為該論文的共同通訊作者。易文課題組博士研究生朱強(qiáng)為該論文第一作者。本研究獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃的資助。
原文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2020/03/18/1915582117
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